Датчики давления производят измерение путем определения перемещения, выполненного под воздействием приложенного давления.
С их помощью измеряется: давление во впускном трубопроводе (1-5 бар); избыточное вакуумное давление в топливном баке (0,5 бар); давление в камере сгорания (100 бар); давление воздуха в подвеске(16 бар), давление в шинах (2-5) бар; давление в гидроаккумуляторе АБС и гидроусилителе рулевого управления (около 200 бар), давление системы кондиционирования воздуха (35 бар, управляющее давление в автоматической трансмиссии (35 бар), давление в главном и колесных тормозных цилиндрах (200 бар) секционное давление впрыска в механическом ТНВД дизеля (220-1000 бар, динамическое); давление в магистрали системы «Common-rail» (1500-2600 бар).
Для измерения давления в автомобилях применяются контактные, тензометрические, полупроводниковые, кремниевые, пьезоэлектрические, с металлической диафрагмой.
Самыми простыми датчиками давления являются датчики контактного типа с мембраной, применяемые для системы смазки. При низком давлении масла на мембрану контакты замыкаются и загорается контрольная лампочка, при нормальном давлении на мембрану, она прогибаясь, размыкает контакты. Может применяться также мембранный датчик реостатного. Степень изгиба мембраны через рычаги передается на ползунок, который движется по резистивному слою. Сопротивление в цепи зависит от положения ползунка и, соответственно, от степени деформации мембраны. Изменение сопротивления пропорционально давлению масла в системе.
Тензорезисторные датчики давления подразделяются на датчики с встроенным тензорезистором, с торцевым терморезистором и с толстопленочными тензорезисторами (рис. 3.24).
a) с встроенным тензорезистором (3), б) с торцевым терморезистором (1); в) с толстопленочными тензорезисторами (2); р – давление.
Принципиальная схема тензометрического датчика давления показана на рис. 3.25.
Тензометрические датчики 1 наклеены на корпус по двум перпендикулярным направлениям. Корпус под действием давления деформируется, эта деформация вызывает изменение сопротивления проволочных тензодатчиков, в результате происходит разбаланс мостовой схемы, в которую включены датчики.
Разновидностью толстопленочного датчика давления является датчик с камерой эталонного давления (рис. 3.26). Применяются для измерений абсолютных давлений приблизительно до 20 бар при отношении сопротивления к перемещению К = 12…15. Нашел применение в автомобильных расходомерах воздуха.
Этот датчик состоит из толстопленочной диафрагмы 2, расположенной на керамической основе 4. В случае применения в расходомере воздуха, датчик измеряет разрежение во впускном коллекторе на основе измерения деформации пленочной диафрагмы. При определенных коэффициентах расширения керамической подложки и керамической пленочной крышки в результате охлаждения стыка диафрагма принимает форму купола. В результате получается пустотелая камера (пузырек) высотой примерно 100 мкм и диаметром 3…5 мм. Газ в «пузырьке» обеспечивает температурную компенсацию. Измерительные пьезоэлектрические элементы расположенные внутри пленки преобразуют перемещения диафрагмы в электрический сигнал.
В зависимости от приложенного давления диафрагма датчика прогибается по-разному (рис. 3.27). Под действием возникшего механического напряжения четыре тензорезистора на диафрагме меняют электрическое сопротивление. Четыре тензорезистора размещены на диафрагме таким образом, что сопротивление одной пары растет, а сопротивление второй пары падает.
Камера эталонного давления представляет собой «пузырек» высотой примерно 100 мкм и диаметром 3-5 мм. Газ в «пузырьке» обеспечивает температурную компенсацию. В смежной с датчиком области на одной с ним подложке расположены схемы усиления и коррекции сигнала, но отделены от среды измерения. Данный датчик не позволяет измерять высокие или крайне низкие давления. Для измерения низких давлений используется тензометрический датчик с вакуумной камерой, в соответствии с рисунком 3.28.
Датчик абсолютного давления во впускном коллекторе. Если известны температура, объем и давление воздуха, блок управления может рассчитать его массу. Воздушные массы всасываемого воздуха можно рассчитать с использованием уравнения идеального газа и при эталонных величинах массы 1 литр воздуха, температуре 0°C (273 K) и 1 бар, которые хранятся в блоке управления.
Датчик абсолютного давления во впускном коллекторе (ДАД) нужен для измерения одной из этих величин: давления воздуха.
Датчик абсолютного давления во впускном коллекторе состоит (рис. 3.29) из измерительного элемента и усилителя. Давление во впускном коллекторе проходит к измерительному элементу через измерительную ячейку. Измерительный элемент 4 расположен между измерительной 7 и эталонной 6 камерами. Измерительный элемент состоит из мембраны 5, которая перекрывает эталонную камеру 6. Мембрана — это четыре резистора, объединенных мостовой схемой. Когда мембрана деформируется под давлением, одно из этих четырех сопротивлений изменяет свое значение. Это приводит к образованию дифференциалов напряжения, которые увеличиваются контуром усилителя. Измерительная камера пневматически соединена с впускным коллектором. Мембрана деформируется из-за того, что давление во впускном коллекторе выше давления в эталонной камере. По мере повышения давления мембрана деформируется, что приводит к повышению разности потенциалов в мосту резисторов. Усилитель преобразует это напряжение в напряжение в диапазоне от 0 до 5 Вольт.
Полупроводниковые датчики давления рис содержат кремниевый кристалл (диафрагму) с чувствительными к давлению полупроводниковыми резисторами. Коэффициент резисторов К = 100. Компенсационная и калибровочная настройки датчика могут осуществляться непрерывно или постадийно схемой, интегрированной в отдельный вспомогательный кристалл или в кристалл датчика. В будущем значения поправок к данным и величинам будут храниться в цифровом виде в программируемой памяти (PROM). Датчики, интегрированные в одном кристалле с полной электронной калибровкой, наиболее подходят для измерения нагрузок в электронных системах зажигания и впрыска топлива дизельных двигателей. Благодаря компактности, они могут устанавливаться непосредственно во впускном трубопроводе (более ранние конструкции устанавливались в соответствующих электронных блоках управления), или в моторном отсеке.
Пример такого датчика давления топлива в гидроаккумуляторе Common Rail приведен на рис. (рис.). Датчик служит для передачи сигнала давления топлива в блок управления. Он состоит из мембраны 2 (рис. 3.30) и электронной платы 1.
Мембрана 2 приварена к корпусу и снабжена полупроводниковым первичным преобразователем. Она может прогибаться до 1 мм при давлении 1500 кгс/см2. Перемещение мембраны, зависящее от давления топлива, вызывает изменение сигнала напряжения, регистрируемого в электронной плате и передаваемого в блок управления. Сигнал напряжения используется в блоке управления системой впрыска дизеля в качестве одной из величин, влияющих на регулирование давления топлива в контуре высокого давления.
Кремниевые датчики давления. Если кристалл кремния не подвергать воздействию высоких температур (максимум 600°С), то его можно использовать для контроля давления в камере сгорания (рис. 3.31). Металлическая изолирующая диафрагма и наплавленный передаточный стержень длиной несколько миллиметров обеспечивают необходимую защиту. С помощью микромеханических методов изготавливается миниатюрная проставка в центре диафрагмы, передающая усилие тензометрическому датчику. Измеряемое усилие передается стержнем в переднюю часть диафрагмы через проставку и далее в кристалл датчика с минимальным искажением. Такой метод установки позволяет поддерживать рабочие температуры ниже 150°С.
Пьезоэлектрические датчики давления (рис. 3.32) обеспечивают динамическое измерение давления.
В электронно-управляемых дизельных топливных насосах высокого давления для определения начала и конца впрыска (подачи топлива) датчиком регистрируются только изменения давления в секции насоса. Поскольку здесь особой точности не требуется, погрешностями от гистерезиса, старения и тепловыми пренебрегают. Предварительный усилитель с высоким сопротивлением на выходе часто устанавливается в герметизированном корпусе. Это позволяет уменьшить влияние источника сигнала на работу датчика для предупреждения частичного шунтирования и появления ошибок в измерениях.
Датчики высокого давления с металлической диафрагмой (рис. 3.33) предназначены для работы в условиях чрезвычайно высоких давлений, например, в напорных магистралях впрыска в дизельных системах «Common-rail». Диафрагмы изготавливаются из высококачественной пружинной стали.
Такие датчики имеют простую и недорогую систему изоляции среды измерения; отличаются от кремниевой большей стойкости к разрыву в области эффективного диапазона; легко устанавливаются в металлических корпусах. Содержат изолированную напыленную (вакуумным способом) металлическую тонкопленочную (К = 2) и поликремниевую (К = 40), и имеют высокую долговечность. Элементы усиления, калибровки и компенсации могут сочетаться с микросхемой ASIC, установленной в корпусе датчика с необходимым экранированием электромагнитных воздействий.